Капитан Колтер Стивенс оказывается в Чикаго в теле человека по имени Шон Фентресс внутри поезда, где он знакомится с женщиной по имени Кристина. Прежде чем он может понять, что происходит, чудовищный взрыв разрушает поезд.

Стивенс пробуждается внутри капсулы, где его через экран компьютера приветствует женщина в военной форме Коллин Гудвин и говорит Стивенсу, что он находится внутри «Исходного кода» — программы, которая позволяет вселяться в тело некоего человека в последние восемь минут его жизни. Ранее в тот же день бомба взорвалась и уничтожила поезд. Миссия Стивенса — найти бомбу и узнать, кто создал её, прежде чем ещё одна бомба, на этот раз с ядерным зарядом, взорвётся где-то в Чикаго, что может привести к гибели миллионов людей.

Стивенс отправляется обратно в поезд, где в вентиляции над туалетом находит бомбу, которая активируется сигналом сотового телефона. Бомба взрывается снова, и Стивенс возвращается в капсулу. Гудвин и создатель программы доктор Ратледж говорят ему, что «Исходный код» — всего лишь имитация, поэтому Стивенс не может изменить прошлое и спасти Кристину, в которую он влюбился. Стивенс подозревает, что Гудвин лжёт ему про два месяца подготовки в «Исходном коде» после миссии в Афганистане.

Стивенс несколько раз отправляется в прошлое, где извлекает пистолет из тайника и в конце концов обнаруживает, что террорист — американский экстремист Дерек Фрост. Стивенс сообщает это Гудвин и противостоит Фросту, прежде чем он активирует вторую бомбу. Военные, получив информацию от Гудвин, захватывают Фроста и спасают Чикаго. Однако, поезд всё ещё уничтожен, и Кристина по-прежнему мертва.

Исследуя аббревиатуру организации, которую успел заметить на форме Гудвин, Стивенс обнаруживает, что его объявили погибшим на войне, а тело забрали военные. Ратледж использовал его останки для реализации «Исходного кода». Стивенс — единственный солдат, который выдержал бремя такой миссии благодаря редким мыслительным и психическим способностям. Стивенс просит Гудвин дать ему последний шанс спасти Кристину и пассажиров поезда, прежде чем она отключит систему жизнеобеспечения мозга Стивенса в качестве награды за выполнение задания. Гудвин предоставляет ему такую возможность вопреки приказу Ратледжа, который вызвал у неё отвращение безжалостными методами.

Используя информацию из предыдущих путешествий в прошлое, Стивенс смог обезвредить бомбу и захватить Фроста, прежде чем он взорвёт поезд. Стивенс и Кристина целуются в последние секунды отведённых Стивенсу восьми минут, но, к его удивлению, он не умирает после восьми минут памяти мозга. В параллельной реальности «Исходного кода» Фроста арестовывают прямо в вагоне, а пассажиры поезда спасены.

Как оказалось, когда Гудвин отключила систему жизнеобеспечения мозга Стивенса, его разум остался в теле Шона Фентресса. Получив второй шанс на счастливую жизнь с Кристиной, Стивенс превратился в обновлённого Фентресса в альтернативной реальности.

Ратледж ранее утверждал, что активация «Исходного кода» ведёт к созданию новых временных линий из-за манипуляций квантовой физики, и что новые мировые линии, созданные действиями Стивенса, порождают новых «Колтеров Стивенсов». В альтернативной реальности Гудвин, которая ещё не знает ничего о Стивенсе, получает от него E-mail с просьбой помочь ему в этом мире. Она понимает, что «Исходный код» может не только воссоздавать события, но и влиять на них.